八鋼管線鋼深脫硫技術(shù)的探討

徐鴻飛

摘 要 為了快速有效地實(shí)現(xiàn)高級(jí)別管線鋼的深脫硫技術(shù)，本文通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐對(duì)管線鋼脫硫各影響因素的分析，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)爐出鋼“渣洗”工藝的實(shí)施，精煉初煉溫度、渣量、強(qiáng)攪拌工藝等熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件的改善，實(shí)現(xiàn)高級(jí)別管線鋼成品[S]≤0.002 0%的深脫硫目標(biāo)。

關(guān)鍵詞 LF爐 深脫硫 渣系

一、前言

隨著輸送石油、天然氣效率的提高， 輸送管徑的加大，高級(jí)別管線鋼更趨向高強(qiáng)度、高韌性、低韌脆變溫度和良好的焊接性能的方向發(fā)展，而硫含量及硫化物潔凈度作為鋼的潔凈度的重要標(biāo)志之一，對(duì)鋼材性能有重要影響，直接影響到鋼的抗腐蝕性能，以及形成的塑性?shī)A雜物惡化鋼的各向異性。近年來(lái)，用戶對(duì)低硫鋼和超低硫鋼（ω（S）≤40×10-6）的需求量日益增加，一些特殊用途的高級(jí)鋼，對(duì)ω（S）的要求往往低于20×10-6，國(guó)外有的廠家甚至低于10×10-6。因此，降低硫含量和改變夾雜物形態(tài)的鈣處理工藝， 提高板卷的橫向沖擊韌性和減少性能的方向性，是優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)管線鋼的關(guān)鍵工藝。目前八鋼股份煉鋼廠管線鋼生產(chǎn)要求ω（S）≤40×10-6，與國(guó)外相比還有很大差距，而八鋼二煉鋼廠采用“三機(jī)對(duì)四爐”的作業(yè)體系，對(duì)實(shí)現(xiàn)快速深脫硫、提高單機(jī)作業(yè)率提出了更高的要求。因此，研發(fā)管線鋼精煉深脫硫技術(shù)及應(yīng)用具有重要的實(shí)用價(jià)值。

二、工藝流程

高爐-鐵水預(yù)處理-120 t轉(zhuǎn)爐吹煉-出鋼合金化-LF+RH二次精煉-板坯連鑄-軋制。

三、工藝現(xiàn)狀及影響因素分析

1.LF精煉深脫硫機(jī)理。LF深脫硫必須滿足良好的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，而大渣量、高堿度、適當(dāng)高的鋼水溫度、較低的爐渣氧化性、良好的吹氬攪拌以及鋼水鈣處理是鋼水深脫硫的有利條件。

脫硫反應(yīng)的基本離子方程可表示為：[S]+（O2-）=[O]+（S2-）

上式是一個(gè)吸熱反應(yīng)，高溫有利于脫硫反應(yīng)進(jìn)行。溫度的重要影響主要體現(xiàn)在高溫能促進(jìn)石灰溶解和提高爐渣流動(dòng)性。影響鋼水脫硫效果的熱力學(xué)因素主要包括：渣的硫容量（CS）和硫在鋼-渣間的分配系數(shù)（LS）；鋼水溫度及爐渣黏度。

2.爐渣對(duì)脫硫的影響。通常脫硫反應(yīng)需要提高爐渣的堿度，堿度高，游離的CaO多，或（O2-）增大，有利于脫硫。但過(guò)高的堿度，常出現(xiàn)爐渣黏度增加，反而降低脫硫效果。

而從熱力學(xué)角度可以看出，脫硫反應(yīng)是在還原性氣氛中進(jìn)行，渣中的（FeO）高不利于脫硫。當(dāng)爐渣堿度高時(shí)、流動(dòng)性差時(shí)，爐渣中有一定量的（FeO），可助熔化渣。在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)渣中ω（ FeO+ MnO）< 1%時(shí)， 脫硫反應(yīng)速率會(huì)得到顯著的提高。當(dāng)（FeO）<1%時(shí)，Ls與（FeO）之間具有線性關(guān)系，當(dāng)（FeO）<0.5%時(shí)，Ls顯著提高。但實(shí)際生產(chǎn)中，由于LF爐內(nèi)的還原氣氛較難全過(guò)程保持，很難穩(wěn)定控制（FeO）≤0.5%。對(duì)爐渣氧化性的控制目標(biāo)是（MnO+FeO）<1%。在脫硫反應(yīng)中，渣中FeO含量與硫分配系數(shù)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 渣中FeO含量與硫分配系數(shù)的關(guān)系

3.渣量及初煉溫度對(duì)脫硫的影響。在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，轉(zhuǎn)爐出鋼下渣過(guò)多和備包時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使鋼中氧含量增加、精煉初始溫度降低，影響造白渣的過(guò)程，從而惡化脫硫條件，降低脫硫效率。因此，轉(zhuǎn)爐擋渣成功率和精煉初始溫度，往往也制約到精煉的脫硫效率。

鋼液最終[S]量與初始鋼液及鋼包頂渣含硫量ΣS和渣量b有關(guān)系如下：

[S]=ΣS-（S）×b÷100 （1）

可見，增大渣量有利于脫硫。要取得理想的深脫硫效果，應(yīng)嚴(yán)格控制初始鋼中[S]含量及轉(zhuǎn)爐出鋼下渣量，并適當(dāng)增加LF造渣材料的加入量，渣量與脫硫速率的關(guān)系如圖2所示。

脫硫反應(yīng)的平衡常數(shù)KS與溫度的關(guān)系式為：

lgKS=-5743/T+1.621 （2）

在平衡條件下，KS與溫度成正比，提高溫度有利于脫硫。雖然KS隨溫度的變化值不大，但提高鋼、渣溫度可以改善其流動(dòng)性，增大鋼渣界面反應(yīng)面積，提高脫硫速度，從而加速脫硫過(guò)程，鋼水溫度與脫硫率的關(guān)系如圖3所示。

4.鋼包底吹A(chǔ)r攪拌對(duì)脫硫的影響。鋼包底吹氬攪拌具有兩種功能：一是均勻鋼水的成分與溫度， 促進(jìn)夾雜的上??；二是加快渣-鋼的反應(yīng)。兩種功能在氣體流量的臨界點(diǎn)上下表現(xiàn)是不一樣的。當(dāng)氣體流量高于臨界點(diǎn)時(shí)， 對(duì)渣-鋼反應(yīng)有利。攪拌氣體量增加時(shí)，脫硫反應(yīng)速率急劇增大，原因是渣粒卷入金屬熔池增大了渣-鋼接觸界面，促進(jìn)了脫硫反應(yīng)的快速進(jìn)行，前提條件是[ S]比較高。對(duì)于底吹 Ar 攪拌方式， 通過(guò)頂渣脫硫，脫硫反應(yīng)速率在不同[ S] 濃度下， 限制環(huán)節(jié)是不同的。[ S] ≥0. 005%以上時(shí)， Ar 氣的攪拌能力是限制環(huán)節(jié)；當(dāng)[ S] ≤0. 005%時(shí)， S 的傳質(zhì)是限制環(huán)節(jié)。

5.渣系對(duì)脫硫的影響。根據(jù)精煉渣系的選擇原則，脫硫渣系主要有CaO-CaF2、CaO-CaF2-Al2O3、CaO-SiO2-Al2O3等，其中CaO- CaF2的渣系硫容量最高，其脫硫能力也最強(qiáng) 因此，在不具備噴粉的條件下， 采用CaO- CaF2脫硫單從脫硫角度講，CaF2的含量最好為30%左右，此時(shí)計(jì)算硫容比可達(dá)到140以上，但考慮到鋼包的侵蝕，實(shí)際上一般將CaF2含量約控制在15%。但此類渣系需要在溫度較高的冶煉環(huán)境下，方可發(fā)揮良好的脫硫效果。在實(shí)際生產(chǎn)中，往往需要選擇熔點(diǎn)更低、易渣化、吸附夾雜更強(qiáng)的渣系，同時(shí)具有經(jīng)濟(jì)高效、能實(shí)現(xiàn)快速脫硫，那么，通過(guò)CaO-SiO2-Al2O3三元相圖，結(jié)合八鋼現(xiàn)有工藝條件，試驗(yàn)適用于管線類鋼的脫硫工藝，其意義非常深遠(yuǎn)。

四、LF精煉深脫硫?qū)嵺`及操作

1.轉(zhuǎn)爐出鋼環(huán)節(jié)的控制。提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)一次命中率，降低再次次數(shù)，適當(dāng)提高出鋼溫度，出鋼溫度控制在1 630 ℃以上，充分利用出鋼過(guò)程中高溫鋼流的攪拌“渣洗”脫硫，具體措施是在出鋼至20%時(shí)左右時(shí)，開始短時(shí)間內(nèi)向鋼包內(nèi)快速地加入合金、脫氧渣等，改善包內(nèi)頂渣環(huán)境，增加鋼水與加料的接觸時(shí)間和面積，達(dá)到快速形渣、提高脫硫率的目的。除此之外，出鋼過(guò)程脫硫率還受到加入量和鋼渣氧化性等動(dòng)力學(xué)條件的影響，采用下渣檢測(cè)技術(shù)，提高擋渣率，控制包內(nèi)渣厚低于100 mm，降低轉(zhuǎn)爐終渣中的TFe含量，提高渣料加入量，可增加相對(duì)硫容量，通過(guò)降低頂渣熔點(diǎn)來(lái)促進(jìn)鋼-渣以及渣-渣間的界面反應(yīng)， 既具有提高出鋼過(guò)程脫硫率和降低頂渣氧化性的雙重作用。

采用此方法后，降低了LF精煉脫硫的處理時(shí)間，縮短了精煉時(shí)間，降低精煉電耗，降低精煉勞動(dòng)強(qiáng)度，快速完成鋼水成分控制，降低了精煉成本，且脫硫率較高，采用轉(zhuǎn)爐出鋼渣洗脫硫的經(jīng)驗(yàn)，平均脫硫率控制為20%～30%，基本實(shí)現(xiàn)精煉初始硫小于8×10-6的目標(biāo)。

2.生產(chǎn)調(diào)度環(huán)節(jié)的控制。采用品種鋼調(diào)度系統(tǒng)組織生產(chǎn)，提高鋼包的熱周轉(zhuǎn)率，降低鋼水的過(guò)程溫降，將出鋼至LF精煉環(huán)節(jié)的閑置時(shí)間控制在25 min內(nèi)，確保精煉初煉溫度在1 540 ℃以上，縮短LF精煉脫硫時(shí)間。

3.LF精煉環(huán)節(jié)的控制。在確保LF精煉有良好初始溫度的前提下，LF精煉冶煉初期采取早化渣、化好渣的控制策略，合理控制爐渣堿度和熔渣的流動(dòng)性，并根據(jù)渣面狀況，適當(dāng)適時(shí)地配加一定量的石灰、高鋁渣球、合成渣等精煉脫氧渣料，也可在渣面撒入少量鋁粒，降低爐渣中TFe含量，根據(jù)八鋼工藝現(xiàn)狀，前期渣量宜控制在13 kg/t，中后期根據(jù)渣況控制目標(biāo)渣系；

通過(guò)LF精煉前期的造渣、化渣、調(diào)渣等環(huán)節(jié)，將鋼水溫度快速提升至1 560 ℃以上，停電蘸取爐渣判斷氧化性，當(dāng)渣中w（ FeO）≤1.0%～1.5%時(shí)，爐渣呈白色，即通常所說(shuō)的白渣，是快速脫硫的最佳時(shí)機(jī)，此時(shí)采取吹A(chǔ)r強(qiáng)攪拌模式進(jìn)行快速脫氧、脫硫，攪拌時(shí)間根據(jù)渣樣顏色和脫氧程度約控制在2 min～5 min，攪拌過(guò)程中注意爐內(nèi)氣氛的微正壓操作，并適當(dāng)加入少量的埋弧劑，避免脫氧鋼水的二次吸氮，此環(huán)節(jié)脫硫率可達(dá)到50%以上，甚至一次將鋼中的[S]直接脫至2×10-6以下；

LF精煉中后期，注重渣系的調(diào)節(jié)和控制，由于此時(shí)鋼水已經(jīng)處于強(qiáng)還原氣氛狀態(tài)，脫硫水平已經(jīng)減緩，鋼液中的[S]已經(jīng)接近或者達(dá)到控制目標(biāo)，吹氬氣流宜控制不裸露鋼液面為標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)調(diào)整活性石灰的加入量，控制目標(biāo)精煉頂渣指標(biāo)為：CaO≈50%～60%，SiO2≤6%，Al2O3≈20%～30%，為控制鋼液吸所及脫除夾雜物創(chuàng)造條件。

為確保脫硫效果和夾雜物的變性處理，冶煉末期需要進(jìn)行鈣處理作業(yè)，同時(shí)注意控制鋼中的酸溶鋁[Als]=0.025%～35%之間，鈣處理時(shí)，合理控制喂線速度和節(jié)奏，避免鋼液面發(fā)生強(qiáng)烈鈣蒸氣反應(yīng)，確保夾雜物的變性和實(shí)現(xiàn)脫硫的雙贏效果。

五、工藝效果

八鋼通過(guò)開展對(duì)管線鋼快速深脫硫技術(shù)的工藝實(shí)踐，結(jié)合原有工藝環(huán)境，有針對(duì)性地采取了一系列的工藝優(yōu)化，圖4是對(duì)工藝實(shí)施前后X70管線鋼脫硫水平的控制效果圖（各隨機(jī)取12爐次的樣本）。

圖4 工藝實(shí)施前后X70管線鋼脫硫水平控制效果圖

上述控制曲線顯示，工藝改進(jìn)前成品[S]控制波動(dòng)較大，且靠近成分上限值爐次較多，工藝優(yōu)化后，成品[S]控制線較為平穩(wěn)，說(shuō)明工藝得到穩(wěn)定化和可控化，最好值達(dá)到了[S]=0.001 1%的水平，最高值也只有0.002 0%，平均值達(dá)到了0.001 59%，實(shí)現(xiàn)了控制目標(biāo)。

六、結(jié)論

通過(guò)對(duì)脫硫一系列熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件的分析和實(shí)踐，結(jié)合八鋼現(xiàn)有煉鋼環(huán)境和工藝特點(diǎn)，在開展管線鋼深脫硫的實(shí)踐中，LF精煉生產(chǎn)X70系列管線鋼可以實(shí)現(xiàn)40 min內(nèi)快速將[S]從0.008%深脫硫降至0.002%以下。而要實(shí)現(xiàn)此冶煉周期，需要滿足以下條件：

（1）控制好轉(zhuǎn)爐出鋼環(huán)節(jié)的“渣洗”脫硫，杜絕出鋼過(guò)程的下渣，確保包內(nèi)形成良好的頂渣和預(yù)脫氧條件，確保出鋼過(guò)程中的脫硫率，降低精煉環(huán)節(jié)初始硫和化渣時(shí)間；

（2）提高鋼水出鋼溫度，減少鋼水的閑置時(shí)間，確保LF精煉初煉溫度在1 540 ℃以上，縮短LF精煉脫硫時(shí)間，爭(zhēng)取早化渣、化好渣，降低爐渣中TFe含量，當(dāng)渣中w（ FeO）≤1.0%～1.5%時(shí)，抓住快速脫硫的最佳時(shí)機(jī)，采取吹A(chǔ)r強(qiáng)攪拌模式進(jìn)行快速脫氧、脫硫，攪拌時(shí)間根據(jù)渣樣顏色和脫氧程度約控制在2 min～5 min；

（3）控制目標(biāo)精煉頂渣指標(biāo)為：CaO≈50%～60%，SiO2≤6%，Al2O3≈20%～30%，為控制鋼液吸所及脫除夾雜物創(chuàng)造條件。

參考文獻(xiàn)

[1]張占省，胡志剛，趙彥華，等.轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程中渣洗脫硫的試驗(yàn)研究.河北冶金，2008，6：9-11.

[2]黃希鈷.鋼鐵冶金原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[3]成國(guó)光， 宋波， 陸鋼， 等. 鋼液深脫硫精煉工藝的研究[ J] . 鋼鐵， 2001， 36 （ 3） ： 21 -23.

[4]姜周華， 張賀艷，戰(zhàn)東平， 等. LF 爐冶煉超低硫鋼的工藝條件[ J] . 東北大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版， 2002，23 （ 10） ： 952 -955.

[5]張鑒.爐外精煉的理論與實(shí)踐[M].北京：冶金工業(yè)出版社， 1991：517.

[6]張彩軍，朱立光，蔡開科等[J]. LF 精煉渣脫硫的理論與工業(yè)實(shí)驗(yàn)研究.河南冶金， 2006，14（ 4） ： 9.